asyan.org
добавить свой файл
1

Лекція № 9: “Застосування феритів в техніці надвисоких частот ”



1. Гіромагнітні властивості намагнічених феритів
Для надання хвилі, що поширюється хвилеводом, корисних власти­востей у порожнину хвилеводу розміщують феритові елементи . Якщо намагнічений ферит розташувати у хвилеводі відповідним чином, то можна забезпечити відмінність коефіцієнтів загасання і фази для падаючої та відбитої хвиль. Це дає змогу розробити нові конструкції хвидевідних вузлів — вентилі, розв'язки, перемикачі, фазообертачі та ін. Для конструювання хвидевідних пристроїв із феритами необхідно знати анізотропні властивості намагнічених феритів. Розглянемо деякі з них.

У природі феромагнетизму головну роль відіграють магнітний та механічний спінові моменти, пов'язані з обертанням електронів навколо власної осі. Електрон має певну масу m0 та елек­тричний заряд e0. При обертанні електрона навколо власної осі його можна порівняти як із механічним гіроскопом, так і з провідниковим витком, по якому тече електричний струм. Цей струм створює магнітне поле, напрямлене по нормалі до площини витка. У результаті електрон поводиться як намагнічений гіроскоп, тому він має так звані гіромагнітні властивості.

Якщо такий гіроскоп розташувати в постійному магнітному полі напруженістю 
(рис. 1), напрям якого не збігається з напрямом власного поля , то виникає момент пари сил , що намагається повернути вісь гіроскопа таким чином, щоб напрями цих полів збігалися. Під дією цієї пари сил вісь обертання гіроскопа починає здійснювати прецесійний рух навколо осі обертання. За рахунок втрат енергії цей рух загасає, кут прецесії φ зменшується, і гіроскоп займає положення, при якому його власне магнітне поле за напря­мом збігається із зовнішнім.



Рис.1 Електрон у постійному магнітному полі
Аналогічно поводиться електрон за наявності постійного магнітного поля  [8]. При цьому кутова частота прецесії  пропорційна до амплітуди поля 

де— гіромагнітне відношення електрона.
Нехай тепер окрім постійного магнітного поля на електрон діє лінійно поляризоване високочастотне поле з частотою ω, яка має той самий порядок, що й частота прецесії . Будь-яке гармонічне лінійно поляризоване поле можна подати у вигляді суми двох рівних між собою полів із взаємно протилежною коловою поляризацією — правогвинтовою  та лівогвинтовою  , які взаємодіють із магнітним полем електрона по-різному.

Припустимо, що вектор розташований у площині, перпендикулярній до вектора (рис.2). Якщо діє лише поле, то після загасання прецесії магнітні моменти всіх електронів орієнтуються вздовж осі



Рис.2 Електрон у змінному магнітному полі
За наявності змінного поля  на кожний електрон діє пара сил, яка намагається повернути вісь обертання до збігу напрямів векторів та . Через це електрони починають виконувати вимушену прецесію навколо вісі з певним кутом , що залежить від .

Надалі правогвинтова складова , обертаючись із частотою, близь­кою до частоти прецесії в одному напрямі з вектором , взаємодіє з власним магнітним полем електрона, віддаючи йому енергію та збільшуючи кут прецесії . Лівогвинтова складова  обертається у протилежному напрямі. При цьому протягом однієї частини періоду під дією  кут прецесії збільшується, а протягом другої — зменшується. Тоді в середньому за період взаємодія хвилі  із по­лем електрона відсутня. У разі точного збігу частоти ω0 з частотою прецесії кут прецесії набуває значення π/2.

У реальному фериті при збільшенні кута прецесії збільшуються втрати на так зване магнітне тертя у кристалічній решітці. Унаслідок цього енергія складової  зменшується, а енергія складової  залишається практично без змін.

Анізотропність намагніченого фериту виявляється також у від­мінності значення магнітної проникності для складових  та  Власний магнітний момент електрона можна розкласти на два компоненти: — такий, що розташований в одній площині з , та — перпендикулярний до цієї площини. Оскільки останній компонент не змінюється з часом, то індукція  сумарного змінного поля у фериті при дії  складається з індукції хвилі  у вакуумі. Модуль можна вважати пропорційним до 


тому


тоді як при хвилі  значення цієї індукції визначатиметься таким виразом:



При цьому з порівняння  випливає, що ферит відносно правогвинтової хвилі поводиться як матеріал з магнітною проникністю , а відносно лівогвинтової — із .

Тому намагнічений ферит є анізотропним для хвиль із різними на­прямами колової поляризації.

Розглянемо залежність магнітних проникностей  та  (рис.3 ) від напруженості постійного поля . Для насиченого фериту без значень магнітних проникностей визначаються спів­відношеннями



де — магнітний момент одиниці об'єму фериту при досягненні насичення.
Гіромагнітний резонанс настає при частоті ω = ω0, тобто при резонансному значенні . Це явище полягає в різкому зростанні втрат енергії хвилі , унаслідок чого різко зростає значення 



Рис. 3 Залежність магнітних проникностей  та  від напруженості постійного поля .

У реальному фериті величина не досягає нескінченного зна­чення. Для реальних феритів залежність  від зображено на рис. 3 пунктирною лінією 
2. Ефект Фарадея

Ефектом Фарадея називають явище обертання площини поляризації хвилі, зумовлене анізотропними властивостями фериту, який намагнічено. Для вивчення сутності цього ефекту необхідно взяти до уваги те, що нерівність значень  та  зумовлює нерівність коефіцієнтів фази право- та лівогвинтової хвиль  та  які можна визначити такими співвідношеннями:


Унаслідок цього зазначені хвилі на одному шляху зазнавати­муть різних фазових зсувів та :



Різниця фаз при цьому


а площина поляризації обертається на кут


Тут виявляється, що напрям обертання площини поляризації не залежить від напряму руху хвилі. При цьому площини поляризації падаючої та відбитої хвиль, що проходять через намагнічений фе­рит, обертаються в один бік. Цей факт покладено в основу принципів дії таких хвидевідних вузлів, як циркулятори, ізолятори, фазообертачі.